劳伦斯·伯克利国家实验室的特里萨·杜克 表面有一层二氧化硅的硅-28纳米线的透射电子显微镜图像
致谢:马修·R
琼斯和华牧孙/莱斯大学 科学家展示了一种新材料，其导热效率比先进芯片技术中使用的传统材料高出150%
这种装置——一种超薄硅纳米线——可以实现更小、更快的微电子技术，其传热效率超过目前的技术
由微芯片供电的电子设备能够有效散热，从而消耗更少的能源——这一改进有助于减少燃烧导致全球变暖的富含碳的化石燃料所产生的能源消耗
“通过克服硅在导热能力方面的自然限制，我们的发现解决了微芯片工程中的一个障碍，”领导《物理评论快报》研究报告新设备的科学家吴俊桥说
吴是加州大学伯克利分校材料科学系的科学家和材料科学与工程教授
热量通过硅的缓慢流动 我们的电子产品价格相对低廉，因为硅——计算机芯片的首选材料——既便宜又丰富
尽管硅是良好的导电体，但当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是良好的导热体——当涉及到快速计算时，这对微型芯片来说是一个大问题
每个微芯片里有数百亿个硅晶体管，控制着电子进出存储单元，将数据位编码为1和0，这是计算机的二进制语言
电流在这些努力工作的晶体管之间流动，这些电流不可避免地产生热量
热量自然地从热的物体流向冷的物体
但是硅中的热流变得棘手
在其自然形态下，硅由三种不同的同位素组成——一种化学元素的形式，在其原子核中包含相同数量的质子，但不同数量的中子(因此质量不同)
大约92%的硅由同位素硅-28组成，它有14个质子和14个中子；大约5%是硅-29，重量为14个质子和15个中子；合著者Joel Ager解释说，只有3%是硅-30，这是一种相对较重的物质，有14个质子和16个中子。Joel Ager是伯克利实验室材料科学部门的高级科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程的兼职教授
当声子(携带热量的原子振动波)蜿蜒穿过硅的晶体结构时，当它们撞上硅-29或硅-30时，它们的方向会发生变化，这些不同的原子质量会“扰乱”声子，使它们变慢
“声子最终明白了这个想法，并找到了冷却硅材料的冷端，”但阿格说，这种间接的路径会让废热积累起来，反过来也会降低计算机的速度
向更快、更密集的微电子学迈进了一大步 几十年来，研究人员从理论上推断，由纯硅28制成的芯片将克服硅的热传导极限，从而提高更小、密度更高的微电子器件的处理速度
但是将硅提纯到单一同位素需要很高的能量，很少有工厂能够提供——专门生产市场上现成同位素的工厂就更少了，阿格说
幸运的是，21世纪初的一个国际项目使Ager和领先的半导体材料专家Eugene Haller能够从前苏联时代的同位素制造厂获得四氟化硅g as——同位素提纯硅的起始材料
这导致了一系列开创性的实验，包括2006年发表在《自然》杂志上的一项研究，其中Ager和Haller将硅-28塑造成单晶，他们用它来展示以量子位或量子位存储信息的量子存储器，这是一种在电子自旋中同时存储1和0的数据单位
随后，用阿格和哈勒的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶体显示出比天然硅高10%的热导率——这是一个进步，但从计算机行业的角度来看，可能不足以证明花一千倍的钱用同位素纯硅制造一台计算机是合理的，阿格说
但是阿格知道硅同位素材料在科学上的重要性超过了量子计算
所以他把剩下的东西保存在伯克利实验室的一个安全的地方，以防其他科学家可能需要它，因为很少有人有资源制造甚至购买同位素纯硅，他推理道
利用硅-28实现更酷技术的途径 大约三年前，吴(音译)和他的研究生慈(音译)试图找到一种新的方法来提高硅芯片的热传导率
制造更高效晶体管的一种策略是使用一种叫做“全栅场效应晶体管”的纳米线
吴解释说，在这些器件中，硅纳米线堆叠起来导电，同时产生热量
他说:“如果产生的热量不能迅速排出，这个装置就会停止工作，就像没有疏散图的高楼里响起的火警一样。”
他解释说，但是硅纳米线的热传输更差，因为它们粗糙的表面——化学处理留下的疤痕——更加分散或“混淆”了声子
“然后有一天我们想，‘如果我们用同位素纯硅-28制成纳米线，会发生什么？’”吴说道
硅同位素不是可以在公开市场上轻易买到的东西，有消息称，阿格在伯克利实验室仍有一些硅同位素晶体——数量不多，但仍足以分享，“如果有人有如何使用它的好主意，”阿格说
乔军的新研究就是这样一个例子
" 纳米测试的惊人大发现 “我们真的很幸运，乔尔碰巧有同位素富集硅材料准备用于这项研究，”吴说
使用Ager的硅同位素材料，吴团队测试了1毫米大小的块状硅-28晶体与天然硅的热导率，他们的实验再次证实了Ager和他的合作者多年前的发现，即块状硅-28的热导率仅比天然硅好10%
现在是纳米测试
使用一种叫做无电蚀刻的技术，Ci制造出了直径只有90纳米(十亿分之一米)的天然硅和硅-28纳米线——大约比一根头发丝还要细1000倍
为了测量热导率，Ci将每根纳米线悬挂在两个配有铂电极和温度计的微加热器垫之间，然后向电极施加电流，以在一个垫上产生热量，热量通过纳米线流向另一个垫
“我们预计使用同位素纯材料进行纳米线热传导只会增加20%的收益，”吴说
但是Ci的测量结果让他们所有人都大吃一惊
与具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线相比，Si-28纳米线的导热率不是10%或甚至20%，而是150%
这完全出乎他们的意料，吴说
纳米线粗糙的表面通常会减慢声子的速度
到底发生了什么？ Matthew R .拍摄的该物质的高分辨率TEM(透射电子显微镜)图像
莱斯大学的琼斯和华牧·孙发现了第一条线索:在硅-28纳米线表面有一层类似玻璃的二氧化硅层
由纳米线热导率方面的领先专家Zlatan Aksamija领导的马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的计算模拟实验显示，同位素“缺陷”——硅-29和硅-30——的缺乏阻止了声子逃逸到表面，而二氧化硅层会大大减慢声子的速度
这反过来使声子沿着热流的方向保持在轨道上——因此更少“混乱”——在硅-28纳米线的“核心”内
“(Aksamija目前是犹他大学材料科学与工程副教授
) “这真是出乎意料
吴说:“发现两种独立的声子阻滞机制——表面和同位素，以前人们认为它们是相互独立的——现在协同作用，使我们在热传导方面受益，这非常令人惊讶，也非常令人满意。”
“乔军和他的团队发现了一个新的物理现象，”阿格说
“这是好奇心驱动的科学的真正胜利
挺刺激的
" 吴说，该团队下一步计划将他们的发现推进到下一步:通过研究如何“控制，而不仅仅是测量”这些材料中的热传导
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
